9944

Комфортные сочетания tв и tR отклоняются от средних значений прибли-

зительно на 1,5 °С. В формулу (1.40) можно ввести tп и записать ее с учетом отклонений в виде

Рис. 1.10. Первое условие комфортности: Т – тяжелая, У – умеренная, Л – легкая работа (для умеренной работы заштрихована область допустимых отклонений)

30

Второе условие комфортности ограничивает интенсивность теплообме-

на при положении человека около нагретых и охлажденных поверхностей. Оп-

ределяющей величиной в этом случае является интенсивность лучистого теп-

лообмена (радиационный на наиболее невыгодно расположенной к излучению части поверхности тела человека). К радиационному теплообмену наиболее чувствительна поверхность головы. Радиационный баланс должен быть таким,

чтобы любая элементарная площадка на поверхности головы отдавала излуче-

нием окружающим поверхностям не менее 11,6 Вт/м2.

При расположении нагретой панели в потолке наиболее невыгодным

(а потому расчетным) будет положение человека непосредственно под центром панели. При расположении панели в стене за расчетное принимают положение человека на расстоянии 1 м от нагретой поверхности.

Уравнение лучистого теплообмена для элементарной площадки на по-

верхности человека можно написать в виде

где – коэффициент облученности со стороны элементарной площадки на по-

верхности человека в сторону панели; С – приведенный коэффициент излуче-

ния; b – температурный коэффициент, который для зимнего режима при темпе-

ратуре поверхности головы человека ч = 30 °C, температура внутренних по-

верхностей в.п = 18 °C и температура панели около 40 °C принимают: bч-п =

1,15 и bч-в.п = 1,05.

Подставив в уравнение (1.44) принятые значения, при минимально допус-

Уравнение комфортности относительно нагретой поверхности (1.45)

можно считать одной из составляющих второго условия комфортности.

31

Температура на охлажденных поверхностях для летнего режима при

ч = 33 °С, в.п = 24 °С ( п около 12…15 °С) по уравнению (1.44) при допустимой

Уравнение допустимой температуры на холодной поверхности в помеще-

нии (1.44) является второй составляющей второго условия комфортности. На холодной поверхности в помещении обычно недопустима конденсация водя-

ных паров, и температура холодной поверхности, кроме условия (1.44), должна быть выше температуры точки росы воздуха в помещении.

На рис. 1.11 графически показаны зависимости (1.45 и 1.46), которые ог-

раничивают область допустимых температур на поверхностях в помещении.

Рис. 1.11. Второе условие комфортности. Зависимость допустимых температур на нагретых (1), охлажденных (2) поверхностях и поверхности окон (3)

от коэффициента облученности

32

Ориентировочно значения коэффициента ч-п равны

где l F п – размер панели; х – расстояние от элементарной площадки на го-

лове человека до греющей или охлаждающей панели.

Формулы (1.45 и 1.46) неприемлемы для определения допустимых темпе-

ратур на поверхности пола. Допустимые температуры для нагретой поверхно-

сти пола могут быть приняты по формуле

где tв1 – температура воздуха на высоте 1 м.

Располагать панели систем летнего охлаждения помещений в плоскости пола обычно нецелесообразно.

В действующих нормах допускаются следующие температуры на поверх-

ностях отопительных приборов в зависимости от их размещения в помещении:

–в зоне до 1,0 м от уровня пола 95 °С; в больницах и детских яслях 85 °С;

–на стенах и перегородках выше 1,0 м от уровня пола +45 °С;

–на потолках помещений высотой 2,5…2,8 м +28 °С; высотой 2,9…3,0 м

+30 °С; высотой 3,1…3,4 м +33 °С;

–на полу + 30 °С; в детских учреждениях до + 24 °С; в плавательных бас-

сейнах до +34 °С.

1.10.Контрольные вопросы для самостоятельной работы

1.Что изучается в строительной теплофизике?

2.Дать определение теплового режима помещения.

3.Перечислите элементарные виды теплообмена.

4.Что такое теплопередача?

5.Дать определение теплопроводности.

6.Уравнение теплового баланса любой поверхности в помещении.

7.Напишите формулу теплового потока, передаваемого излучением от одной поверхности к другой.

33

8.Каким законом определяется величина интенсивности излучения.

9.Физический смысл величины приведенного коэффициента излучения при теплообмене между двумя серыми поверхностями.

10. Физический смысл коэффициента лучистой теплоотдачи.

11. Что такое конвекция?

12. Какими критериями определяется интенсивность конвекции для лю-

бых форм поверхностей?

13. Напишите формулу теплового потока, передаваемого конвекцией от воздуха в помещение.

14.Дайте описание свободной конвекции с учетом общей подвижности воздуха в помещении.

15.Запишите уравнение теплового баланса поверхности в помещении.

16.Приведите уравнение теплового баланса воздуха помещения.

17.Запишите систему уравнений общего теплообмена в помещении.

18. Напишите уравнение общего теплообмена в помещении (уравнение В.Н. Богословского).

19. Сформулируйте первое условие комфортности в помещении.

20. Напишите уравнения первого условия комфортности в помещении.

21. Сформулируйте физический смысл второго условия комфортности

впомещении.

22.Напишите уравнения второго условия комфортности в помещении.

34

Глава 2. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И ВЛАЖНОСТНЫЙ РЕЖИМ ОГРАЖДЕНИЯ

2.1. Уравнение теплопроводности

Основной составляющей процесса передачи теплоты через ограждения является теплопроводность через материальные слои ограждения.

Процесс теплопроводности в материальных слоях конструкции подчиня-

ется закону Фурье, уравнение которого в дифференциальной форме рассматри-

вается в курсе тепломассообмена.

Выведем уравнение теплопроводности в конечных разностях на примере одномерного температурного поля при передаче теплоты через однородную стенку (рис. 2.1). Толща стенки разбивается на элементарные слои размером х.

Рис. 2.1. Схема для вывода уравнения теплопроводности в конечных разностях: а – непрерывное поле; б – тепловая цепочка

35

Процесс нестационарной передачи в толще определяется двумя законами:

проводимости и аккумуляции теплоты.

Согласно закону проводимости тепловой поток q пропорционален гради-

енту температуры dt/dx:

где – коэффициент теплопроводности.

Для участка стены между осями элементарных слоев это уравнение мож-

но написать в виде

где t1 и t2 – температуры на осях соседних элементарных слоев 1 и 2.

Уравнение (2.2) справедливо только для линейного распределения темпе-

ратур в условиях стационарной передачи теплоты.

При нестационарных условиях, учитывая криволинейное распределение температуры в слоях, уравнение проводимости может быть записано в виде

х

где = R1-2 – сосредоточенное термическое сопротивление между сечениями

1 и 2 ограждающей конструкции.

Уравнение (2.3) справедливо как для стационарных, так и для нестацио-

нарных условий, в отличие от (2.2).

Закон аккумуляции теплоты устанавливает, что приращение количества теплоты dQ, аккумулированное слоем dх, пропорционально приращению во времени его температуры dt. Изменение количества аккумулированной теплоты

Q для элементарного слоя х при изменении во времени (z) его средней тем-

пературы на z t составит

где с – объемная теплоемкость материала.

36

Составим уравнение теплового баланса элементарного слоя n при распре-

делении температур в сечении, отмеченном на рис. 2.1 индексом 1. Слой n об-

менивается теплотой с соседними элементарными слоями и, согласно закону проводимости, за время z он получит от слоя (n + 1) количество теплоты

Разность Qn между количеством теплоты, определенным уравнениями

(2.5) и (2.6), будет аккумулирована слоем n и повысит его среднюю температу-

ру по формуле (2.4) на ztn .

Уравнение теплового баланса слоя n можно записать в виде

является второй конечной разностью температур, т. е. разностью разностей температур между элементарными слоями. Индекс х показывает, что имеется в виду изменение температуры в пространстве по координате х.

При переходе к пределу и замене конечных разностей бесконечно ма-

лыми приращениями из уравнения (2.8) получаем дифференциальное урав-

37

2.2. Теплофизические характеристики строительных материалов

Строительные материалы являются в своем большинстве сложными ка-

пиллярно-пористыми телами, поры которых могут быть заполнены влажным воздухом, жидкой влагой и льдом. Особенности строения определяют большую изменчивость теплофизических характеристик строительных материалов.

Коэффициент теплопроводности , Вт/(м·оС), характеризует свойство ма-

териалов проводить теплоту.

В толще влажного материала передача теплоты происходит несколькими путями. Через твердый скелет, а также пленки жидкой влаги и лед теплота пе-

редается посредством теплопроводности. В порах, заполненных влажным воз-

духом, помимо теплопроводности, теплообмен происходит конвекцией и излу-

чением. Определенное количество теплоты переносится фильтрующимся через материал воздухом. Свойство теплопроводности зависит при прочих равных условиях от размера пор. В сообщающихся порах могут возникать конвектив-

ные токи воздуха, которые повышают проводимость теплоты.

Всю совокупность сложных явлений, участвующих в передаче теплоты в толще материалов, обычно приводят к теплопроводности, выражающуюся че-

рез коэффициент теплопроводности. Этот коэффициент является собиратель-

ным эквивалентным коэффициентом, учитывающим все физические явления,

происходящие в материале и связанные с передачей теплоты.

Важной для строительных материалов является зависимость от влажно-

сти. С увеличением влажности материалов коэффициент теплопроводности возрастает. Увеличение коэффициента связано с замещением воздуха в порах жидкой влагой, имеющей более высокий коэффициент теплопроводности.

Влажность материала в ограждениях изменяется во времени. В началь-

ный момент это связано с внесением в конструкцию «строительной влаги». В

процессе эксплуатации (после того как часть влаги испарится) материалы стен и перекрытий входят в некоторый установившийся квазистационарный влаж-

ностный режим. Значения коэффициента для расчета теплового режима зда-

38

ний принято устанавливать по так называемой нормальной влажности в период эксплуатации. В нормах даются три градации влажностного состояния конст-

рукций, которые связаны с влажностными характеристиками внутреннего и на-

ружного климата.

2.3. Основы термодинамики влажного материала

Влага воздуха помещения. Количество влаги в воздухе определяется его влагосодержанием d в г влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха. Кроме то-

го, его влажностное состояние характеризуют упругостью, или парциальным давлением водяных паров е, мм рт.ст., или относительной влажностью , %.

Воздух обладает определенной влагоудерживающей способностью. На-

пример, при 20 °С каждый 1 кг сухого воздуха удерживает при полном насы-

щении 17,2 г водяных паров. При низкой температуре способность воздуха удерживать влагу становится незначительной (2 г при –12 °С), с повышением температуры она возрастает (51 г при 40 °С).

Упругость водяного пара е качественно отражает свободную энергию влаги в воздухе. Величина е возрастает от нуля до максимальной упругости Е,

соответствующей полному насыщению. Упругость е в этой связи можно рас-

сматривать как измеритель энергетического потенциала водяных паров в воз-

духе. Диффузия влаги происходит в воздухе от мест с большей упругостью во-

дяных паров к местам с меньшей упругостью.

Основы термодинамики влажного материала. Наиболее полная методи-

ка энергетической оценки форм влаги и система энергетической классификации связи влаги с материалом была предложена П.А. Ребиндером, согласно которой все формы связи влаги в зависимости от прочности делятся на три вида. Наибо-

лее прочной является химическая форма связи. При рассмотрении влагопереда-

чи в ограждениях ее можно не учитывать.

Вода, расположенная непосредственно на поверхности зерен и связанная силами молекулярного взаимодействия, называется адсорбционной. Адсорбци-

онную влагу относят к физико-химической форме связи.

39